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Antriebstechnik von Siemens und RockwellVom Hybridsystem zum doppelten Standard

Karl-Heinz Klumpe

Die KHS-Gruppe bietet die Antriebstechnik ihrer Verpackungsanlagen nun durchgängig in zwei verschiedenen Varianten an.

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KupplungenDie smarte Kupplung

Mit ihrer patentierten Metallbalgkupplung Smartflex hat Mayr Antriebstechnik vor zehn Jahren ein Kupplungssystem entwickelt, das neben deutlichen Kostenvorteilen auch einige technische Besonderheiten zu bieten hat. Das herausragende Merkmal ist die Klemmverbindung zwischen Welle, Nabe und Metallbalg.

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Kupplungen: Die smarte  Kupplung

Die spielfreie Metallbalgkupplung Smartflex feiert in diesem Jahr ihr zehnjähriges Jubiläum. Sie wurde 1998 mit drei Baugrößen auf den Markt gebracht. Diese „Urbaureihe“ deckte einen Nenndrehmomentbereich von 40 bis 200 Nm ab. Auch eine Ausführung mit kegeliger Bohrung zur Montage an Fanuc-Motoren oder baugleiche Servos war von Anfang an im Programm. Zwei Jahre später wurde die Baureihe um eine kleinere Größe mit 16 Nm Nennmoment ergänzt.

Die nächste Erweiterung erfolgte 2002. Eine neue Ausführung mit einem verkürzten Metallbalg wurde in das Programm aufgenommen. Diese Variante war die Antwort auf die stark gestiegene Forderung des Werkzeugmaschinenbaus nach möglichst hoher Drehsteifigkeit. Vor allem bei Maschinen mit hochdynamischen Antrieben ist die Steifigkeit ein entscheidendes Kriterium bei der Auswahl der Wellenausgleichskupplungen. Sieben Jahre nach der Markteinführung kamen die Größen 4 und 5 dazu. Der gesamte Nenn-Drehmomentbereich beträgt jetzt 16 bis 700 Nm. Dadurch haben sich die Einsatzfelder noch einmal deutlich vergrößert - vor allem in den Marktsegmenten, die bevorzugt Servoantriebe einsetzen. Smartflex-Metallbalgkupplungen wurden schon kurz nach der Markteinführung sehr schnell in ganz unterschiedlichen Branchen wie Werkzeugmaschinenbau, Getriebetechnik, Verpackungsmaschinen, Sondermaschinen und der Servotechnik akzeptiert und eingesetzt. Der schnelle und breite Erfolg in den teilweise sehr stark umworbenen Marktsegmenten hatte mehrere Gründe. So ist es den Entwicklern gelungen, ein System zu kreieren, das neben den deutlichen Kostenvorteilen auch einige markante technische Neuerungen zu bieten hatte. Das herausragende Merkmal ist die patentierte Klemmverbindung zwischen Welle, Nabe und Metallbalg. Daraus resultieren einige technische Vorteile. Diese Kupplungen lassen sich beispielsweise sehr einfach und flexibel aus einem Baukasten zusammensetzen. Sie bestehen aus einem Metallbalg, zwei identischen Nabenringen und zwei Reduzierbuchsen, die in die Nabenringe eingeklinkt werden. Über diese Reduzierbuchsen lässt sich die Smartflex schnell und einfach an die jeweiligen Wellendurchmesser anpassen, auf denen die Kupplung montiert werden soll. Für verschiedene Wellendurchmesser müssen also nicht mehr komplette Kupplungen bevorratet werden, sondern nur noch unterschiedliche Reduzierbuchsen. Das führt zu einer deutlichen Vereinfachung der Lagerhaltung, hoher Verfügbarkeit und kurzen Lieferzeiten. Die konsequente Verwendung von Aluminium für die Klemmringe und die Reduzierbuchsen und der leichte Metallbalg verleihen der Kupplung außerdem ein sehr geringes Massenträgheitsmoment. Durch die Anbindung der Naben an den Metallbalg über eine Klemmverbindung wird der Balg nicht vorgespannt. Das reduziert zum einen die Rückstellkräfte auf die Wellenlagerungen und erhöht zum anderen auch ganz erheblich die Sicherheit gegen Balgbrüche an der Anbindungsstelle. Ferner bietet die Klemmung auf der Welle mit nur einer Schraube pro Nabe eine konkurrenzlos schnelle und kostengünstige Montage.

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Die Klemmung des Balgs ist im Vergleich zu anderen Anbindungsprinzipien, wie beispielsweise Schweißen oder Bördeln, die schonendste Variante. Kritiker des Klemmens merken an, dass hier der Sicherheitsfaktor für die Drehmomentübertragung am kleinsten ist. Allerdings muss die Klemmverbindung nur das Drehmoment sicher übertragen, das der Metallbalg ohne Schaden verkraften kann. Unter diesem Gesichtspunkt ist auch die Klemmung über jeden Zweifel erhaben. Auf den ersten Blick könnte man auch meinen, dass durch die Klemmverbindung der Metallbalg bei der Montage leicht radial verlagert wird. Bedenkt man jedoch die deutlich höhere radiale Verlagerungsfähigkeit der Kupplung, so kann trotz systemimplizierter Verlagerung eine deutlich höhere Verlagerung der Wellen akzeptiert werden, beziehungsweise es entstehen bei geringen Verlagerungen deutlich kleinere Rückstellkräfte.

Klemmnaben erreichen keine so hohe Rundlaufgenauigkeit wie beispielsweise Spannringnaben. Aufgrund der leichten Werkstoffe und der kleinen Außendurchmesser wirkt sich das bei der Smartflex im gängigen Drehzahlbereich aber nicht gravierend auf die Wuchtgüte aus. Je nach Größe sind bei der Metallbalgkupplung mit Klemmverbindung Drehzahlen bis zu 10.000 min-1 zulässig. Bei echten High-Speed-Antrieben setzen das Unternehmen auf spielfreie, vorgespannte Elastomerkupplungen oder Lamellenpaketkupplungen.

Metallbalgkupplungen mit anderen Nabe-Balg-Verbindungen bieten nicht die Flexibilität des Smartflex-Baukastens und haben zudem ihre ganz speziellen technischen Nachteile. So kann beispielsweise das Schweißen an der Anbindungsstelle thermische Spannungen verursachen, die bei entsprechender Wellenverlagerung im Betrieb zum Balgbruch führen können. Und Klebeverbindungen sind im Vergleich zum Klemmen, Schweißen und Bördeln empfindlicher gegen hohe Temperaturen und unter Umständen auch gefährdet durch aggressive Medien oder Reinigungsmittel.

Minimale Massenträgheit bei hoher Drehsteifigkeit

Mayr Antriebstechnik hat mit Lamellenpaket-, Elastomer- und Metallbalgkupplungen drei der gängigsten Kupplungsbaureihen für Servoantriebe im Programm. Aufgrund ihrer technischen Eigenschaften ist die Smartflex häufig die perfekte Wahl. Sie bietet minimale Massenträgheit, sehr hohe Drehsteifigkeit und hat die höchsten zulässigen Verlagerungswerte im Vergleich zu Elastomer- und Lamellenpaketkupplungen. Jedoch reagiert der Metallbalg unter gewissen Umständen empfindlich auf Schwingungen. In diesen Fall ist die dämpfende Roba-Es Elastomerkupplung die bessere Alternative. Allerdings müssen bei dieser Kupplung Einbußen bei der Verlagerungsfähigkeit und der Drehsteifigkeit in Kauf genommen werden. Roba-Ds Lamellenpaketkupplungen sind immer dann die erste Wahl, wenn die primäre Forderung hohe Drehsteifigkeit heißt.

Die Servotechnik ist ein innovativer Wachstumsmarkt. Nach wie vor steigt die Zahl der jährlich installierten Achsen. Dynamik und Beschleunigungsmomente der Servomotoren nehmen ständig zu. Auslegung und Auswahl von Wellenkupplungen für solche Antriebe erfordern sehr viel Erfahrung und technisches Know-how. Mayr Antriebstechnik fertigt und liefert seit mehr als 20 Jahren spielfreie Wellenkupplungen und bietet heute ein sehr breites und komplettes Programm in großer Variantenvielfalt. Hermann Bestle, Chr. Mayr

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